【网络】Select服务器的实现

五种I/O模型

Unix下共有五种I/O模型，分别是

（1）阻塞式I/O；

（2）非阻塞I/O；

（3）I/O复用（select和（e）poll）；

（4）信号驱动I/O（SIGIO）；

（5）异步I/O（Posix.1的aio_系列函数）；

阻塞I/O模型

应用程序调用一个IO函数，导致应用程序阻塞，等待数据准备好。如果数据没有准备好，一直等待。数据准备好了，从内核拷贝到用户空间，表示IO结束，IO函数返回成功指示。

非阻塞I/O模型

我们把一个套接口设置为非阻塞就是告诉内核，当所请求的I/O操作无法完成时，不要将进程睡眠，而是返回一个错误。这样我们的I/O操作函数将不断的测试 数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续测试，直到数据准备好为止。在这个不断测试的过程中，会大量的占用CPU的时间。

I/O复用模型

该种模型又被称作是多路转接，I/O复用模型会用到select或者poll函数，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。

信号驱动I/O模型

首先我们允许套接口进行信号驱动I/O,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

异步I/O模型

调用aio_read函数，告诉内核描述字，缓冲区指针，缓冲区大小，文件偏移以及通知的方式，然后立即返回。当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。也就是它只需要发起这个读写事件，不要等待与数据搬迁，只需要在结束之后得到成果。

举例

（1）张三在钓鱼，当鱼没有上钩时，便一直进行等待；当鱼上钩后，将鱼调出。这便是基本的阻塞式I/O

（2）张三在钓鱼，这次，当鱼没有上钩时，他便翻着看《C语言入门》这本书，也可以玩玩手机；当鱼上钩后，将鱼调出。这是非阻塞I/O

（3）张三在钓鱼，这次他放了一百个鱼竿。依次检查这些鱼竿，当一个鱼竿有鱼上钩后，将鱼调出，然后继续检查所有鱼竿。这是I/O多路复用

（4）张三钓鱼时，将鱼竿上放一个铃铛，当鱼上钩后会响。然后他便可以干自己的事情，当领响时，他知道上钩了，再去收鱼

（5）张三准备钓鱼，这次。。他直接雇了个人给自己钓鱼。这便是异步I/O

相关函数介绍

重定向的dup函数

头文件

#include<unistd.h>

函数原型

int dup(int oldfd);

int dup2(int oldfd, int newfd);

功能

dup 

将oldfd文件描述符进行一份拷贝，返回值为最新拷贝生成的文件描述符（最小的未被使用的文件描述符）

dup2 

使用newfd对oldfd文件描述符做一份拷贝，必要是可以先关闭newfd文件描述符

调用dup2之后，oldfd文件描述符不变，newfd和oldfd相等。

代码测试

#include<stdio.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<unistd.h>#include<fcntl.h>#include<string.h>int main(){umask(0);int fd = open("test.txt",O_CREAT|O_RDWR,0666);const char* msg = "hello world";printf("fd -> %d\n",fd);write(fd,msg,strlen(msg));int new_fd = dup(fd);//将fd进行拷贝，保存到new_fd中printf("new_fd -> %d\n",new_fd);write(new_fd,msg,strlen(msg));int cpfd = dup(1);//拷贝标准输出文件描述符dup2(fd,1);printf("nice\n");dup2(cpfd,1);printf("niec\n");return 0;}

运行结果

select函数

头文件

#include<sys/time.h>

#include<sys/types.h>

#include<unistd.h>

函数原型

int select(int nfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *expectfds,struct timeval *timeout);

函数功能

同时等待多个文件描述符

参数

nfds

表示的是等待的文件描述符中的最大的那个+1；

fd_set

表示的是是否需要等待某个文件描述符，所以这里的fd_set底层是用位图实现的，所以我们最多可以等待的文件描述符的个数为sizeof(fd_set)*8;

readfds

表示的是需要等待的读事件的文件描述符集；

writefds

表示的是需要等待的写事件的文件描述符集；

exceptfds

表示的是需要等待的异常事件的文件描述符集；

timeout

表示的是每次select的时间为ty_sec秒

返回值

返回集合，该集合表示了收到消息的文件描述符

与fd_set有关的函数

fd_set为一个集合，底层是用位图进行实现的

它的每一位都可以用来表示对应的文件描述符是否收到了事件消息

#include <sys/time.h>  #include <sys/types.h>  #include <unistd.h>    void FD_CLR(int fd, fd_set *set);//将文件描述符中的fd位去掉  int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//检测文件描述符集set中的fd位是否存在  void FD_SET(int fd, fd_set *set);//为set文件描述符集设置fd为设置  void FD_ZERO(fd_set *set);//将set文件描述符集清空  

Select模型

理解select模型的关键在于理解fd_set

假设fd_set长度为1字节

fd_set中的每⼀一bit

可以对应⼀一个⽂文件描述符fd

则1字节长的fd_set最⼤大可以对应8个fd

步骤：
（1）执⾏行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set⽤用位表⽰示是0000,0000。

（2）若fd＝5,执⾏行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)

（3）若再加⼊入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011

（4）执⾏行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

（5）若fd=1,fd=2上都发⽣生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件
发⽣生的fd=5被清空

也就是说，readfds[]数组来表示连接的客户端，该数组大小表示最多可以连接的数量

而rfds是一个集合，底层用位图实现

表示的是对应的文件描述符有没有收到对方发来的消息

若有，则对应的位上被置为1

代码实现

select服务器

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<error.h>#include<unistd.h>#include<netinet/in.h>#include<sys/socket.h>#include<sys/types.h>#include<sys/time.h>#include<string.h>int readfds[sizeof(fd_set)*8];int writefds[sizeof(fd_set)*8];static void Usage(){printf("Usage: [ipaddr] [port]\n");}int startUp(char* ip, int port){int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sockfd < 0){perror("socket");exit(2);}struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(port);addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr)) < 0){perror("bind");exit(3);}if(listen(sockfd,5)<0){perror("listen");exit(4);}return sockfd;}int main(int argc, char* argv[]){int i = 1;if(argc != 3){Usage();exit(1);}int listen_sock = startUp(argv[1],atoi(argv[2]));int num = sizeof(fd_set)*8;writefds[0] = -1;readfds[0] = listen_sock;for(; i<num; i++){writefds[i] = -1;readfds[i] = -1;}fd_set rfds,wfds;while(1){int maxfd = -1;FD_ZERO(&rfds);FD_ZERO(&wfds);for(i = 0; i<num; ++i){if(readfds[i] != -1){FD_SET(readfds[i],&rfds);}if(writefds[i] != -1){FD_SET(writefds[i],&wfds);}maxfd = readfds[i] > maxfd ? readfds[i] : maxfd;maxfd = writefds[i] > maxfd ? writefds[i] : maxfd;}struct timeval time = {1,0};int n = select(maxfd+1,&rfds,&wfds,NULL,&time);switch(n){case 0:printf("time out...\n");break;case -1:break;default:{for(i = 0; i<num; ++i){if(FD_ISSET(readfds[i],&rfds)){if(i == 0){//监听服务器就绪struct sockaddr_in client;socklen_t len = sizeof(client);int client_sock = accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&client,&len);if(client_sock < 0){perror("accpet");exit(5);}else{int tmp = 0;for(; tmp < num; ++tmp){if(readfds[tmp] == -1){readfds[tmp] = client_sock;break;}}if(tmp == num){printf("readfds 满了\n");exit(6);}}}else{//等待的普通文件描述符就绪char buf[1024];ssize_t s = read(readfds[i],buf,sizeof(buf));if(s < 0){perror("read");exit(7);}else if(s == 0){printf("客户端退出..\n");close(readfds[i]);readfds[i] = -1;continue;}else{buf[s] = 0;printf("#client: %s",buf);fflush(stdout);write(readfds[i],buf,strlen(buf));}}}}}}}return 0;}

select客户端

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<netinet/in.h>#include<sys/socket.h>#include<sys/types.h>#include<unistd.h>#include<string.h>static void Usage(){printf("Usage: [ipaddr] [port]\n");}int main(int argc,char* argv[]){if(argc != 3){Usage();exit(1);}int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sockfd < 0){perror("socket");exit(2);}struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))<0){perror("connect");exit(3);}printf("连接成功...\n");char buf[1024];while(1){//发数据printf("#client: ");fflush(stdout);ssize_t s = read(0,buf,sizeof(buf)-1);if(s <= 0){perror("read");exit(4);}int fd = dup(1);dup2(sockfd,1);printf("%s",buf);fflush(stdout);dup2(fd,1);//收数据s = read(sockfd,buf,sizeof(buf)-1);if(s == 0){printf("服务器退出...\n");break;}else if(s < 0){perror("read");exit(5);}else{buf[s-1] = '\0';printf("#server: %s\n",buf);}}close(sockfd);return 0;}

select服务器优缺点

优点

1、不需要fork或者pthread_create就可以实现一对多的通信，简化了进程线程的使用

2、同时等待多个文件描述符，效率相对较高

缺点

1、每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，在fd很多的情况下，循环次数多；

2、每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，开销比较大

3、select支持的文件描述符数量过小，默认是1024